(精品)酶促反应在有机合成中的应用.ppt

有机合成中的生物转化有机合成中的生物转化Biotransformation1内内 容容一.一.简介简介二.二.酶的特性酶的特性三.三.酶催化的有机反应酶催化的有机反应四.四.工业中的应用工业中的应用2对酶的第一印象：酶是很不稳定的酶是很不稳定的酶价格昂贵酶价格昂贵酶只对天然底物有活性酶只对天然底物有活性酶只在天然环境中才起作用酶只在天然环境中才起作用酶是什么？与有机化学关系不大？31950年Kendall,Reichstein与Hench因发现类固醇的消炎作用而获得诺贝尔奖1952年以化学方法以牛胆汁中的deoxycholic acid为原料合成cortisone，反应共需31个步骤，产品售价每克$200。1952年利用Rhizopus arrhizuz产生的hydroxylase将反应过程缩短为11個步骤，产品售价每克$6。1980年使用突变之Mycobacterium分解植物油中的固醇以作为原料，产品价格每克$0.46。如：类固醇合成技术的演进：如：类固醇合成技术的演进：酶促反应在有机合成中的重要作用4（一）、什么是酶？（一）、什么是酶？酶是活细胞产生的酶是活细胞产生的一类具有催化功能一类具有催化功能的生物分子，所以的生物分子，所以又称为生物催化剂又称为生物催化剂Biocatalysts 。绝大多数的酶都是绝大多数的酶都是蛋白质。蛋白质。5酶和一般催化剂的共性酶和一般催化剂的共性1 1，用量少而催化效率高；，用量少而催化效率高；2 2，它能够改变化学反应的速度，但是，它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。不能改变化学反应平衡。3 3，酶能够稳定底物形成的过渡状态，酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的降低反应的活化能，从而加速反应的进行进行6（二）、酶的特性（二）、酶的特性1.1.高效性高效性酶是非常有效的催化剂酶是非常有效的催化剂化学催化化学催化剂：0.11%mol生物催化生物催化剂：10-310-4%mol 酶的催化作用可使反应速度提高酶的催化作用可使反应速度提高10106-6-10101212倍。倍。例如：过氧化氢分解例如：过氧化氢分解 2 2H H2 2O O2 2 2H 2H2 2O +OO +O2 2用用Fe+Fe+催化，效率为催化，效率为6*106*10-4-4 mol/mol.Smol/mol.S，而用而用过氧化氢酶催化，效率为过氧化氢酶催化，效率为6*106*106 6 mol/mol.Smol/mol.S。用用-淀粉酶催化淀粉水解，淀粉酶催化淀粉水解，1 1克结晶酶在克结晶酶在6565 C C条件下可催化条件下可催化2 2吨淀粉水解吨淀粉水解。72 2反应条件温和反应条件温和酶促反应一般在酶促反应一般在pH 5-8 pH 5-8 水溶液中进行，反应水溶液中进行，反应温度范围为温度范围为20-4020-40 C C。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。的失活。3 3环境可接受的环境可接受的生物催化剂是环境友好的试剂，可完全降解生物催化剂是环境友好的试剂，可完全降解84 4酶是彼此相容的酶是彼此相容的几个生物催化反应可以在同一个反应器中进行几个生物催化反应可以在同一个反应器中进行可以使用多酶体系来催化几个顺序反应的进行可以使用多酶体系来催化几个顺序反应的进行5 5酶的高度选择性酶的高度选择性n酶的专一性酶的专一性 Specificity，又称为特异性，是指又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性酶在催化生化反应时对底物的选择性9共性：用量少，降低反应的活化能，改变化学反应的速度。共性：用量少，降低反应的活化能，改变化学反应的速度。酶的性质：酶的性质：特性：高效性特性：高效性化学催化剂：化学催化剂：10.1%mol 生物催化剂：生物催化剂：10-310-4%mol，使反应速度使反应速度1061012倍倍 反应条件温和，环境友好反应条件温和，环境友好 酶彼此相容纳酶彼此相容纳 高选择性高选择性 化学、区域、立体选择性化学、区域、立体选择性 10（一）（一）化学选择性化学选择性A.de Raddt;Klempier,N;J.chem.soc.perkin Trans I,1992,137只专一性地识别催化所作用基团，其它敏感基团不受影响。Y:41%Y:92%Y:41%11（二）（二）区域选择性区域选择性选择性的作用多官能团化合物中的一个基团Otto Meth-Cohn,Mei-Xiang Wang,J.Chem.Soc.Perkin.Trans 1.1997.3197Effenberger,F.;Obwald,S.Synthesis.2001,12.1866.12（三）（三）立体选择性立体选择性1.去对称化去对称化13Masahiro Yokoyama,Hirimichi Ohta,Tetrahedron:Asymmetry.1993,4,1081腈生物转化酶对前手性二腈中的氰基有效的识别，不同的作用，得到光活性产物Wang,M.-X.;Liu,C.-S.;Li,J.-S.Tetrahedron:Asymmetry 2001,12,3367.前手性二腈的去对称化前手性二腈的去对称化142.2.外消旋体的生物转化外消旋体的生物转化A.动力学拆分动力学拆分15外消旋体的动力学拆分外消旋体的动力学拆分Mei-Xiang Wang,Gang Lu,Tetrahedron:Asymmetry.2000.11.1123-1125 Wegman,M.A.;van Langen,L.M.;Sheldon,R.A.Biotechnol.Bioeng.2002,79,356.16B.动态动力学拆分动态动力学拆分17外消旋体的动态动力学拆分外消旋体的动态动力学拆分K.Yamamoto,K.Oishi,I.Fujimatsu,Appl.Environ.Microbiol.,1991.57.302818将生物催化剂应用于有机合成是目前最吸引人的研究领域。是有机化学与生物学密切联系的交叉学科。符合绿色化学的发展方向。三、酶催化的有机合成反应三、酶催化的有机合成反应19酶催化的有机反应类型酶催化的有机反应类型水解反应水解反应氧化反应氧化反应还原反应还原反应C-CC-C键形成反应键形成反应20区域选择性酯水解区域选择性酯水解C.Dinkel,M.Moody,C.Schultz,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.2001,40,3004.21酯酶的酯酶的动态动力学拆分动态动力学拆分22区域选择性酯化区域选择性酯化M.Schudok,G.Kretzschmar,Tetrahedron Lett.1997,38,387.23去对称化去对称化G.M.Ramos-Tombo,X.Busquets,O.Ghisalba,Tetrahedron Lett.1986,27,5707.24去对称化去对称化T.Sugahara,K.Ogasawara,Synlett,1996,319.25动态动力学拆分动态动力学拆分M.T.Reetz,K.Schimossek,Chimia.1996,50,668.26氨基水解酶制备非天然氨基酸氨基水解酶制备非天然氨基酸M.Beller,M.Eckert,H.-P.Rebenstock,E.W.Holla,Chem.Eur.J.1998,4,935.27环氧化物的水解：环氧化物的水解：28对应体会聚的特例对应体会聚的特例29氧化还原反应氧化还原反应氧化还原酶催化反应时，需要氧化还原辅因子充当过程中氢和电子的氧化还原酶催化反应时，需要氧化还原辅因子充当过程中氢和电子的传递体。一般烟酰胺腺嘌呤二核苷酸传递体。一般烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD(H)作为辅因子。作为辅因子。30辅因子再生循环辅因子再生循环M.Wolberg,W.Hummel,M.Muller,Angew.Chem.,Int.Ed.Engl.2000,39,4306.31还原：还原：Y.Naoshima,H.Hasegawa,T.Nishiyama,A.Nakamura,Bull.Chem.Soc.Jpn.1989,62,608.32氧化酶制备手性内酯氧化酶制备手性内酯I.J.Jakovac,H.B.Goodbrand,K.P.Lok,J.B.Jones,J.Am.Chem.Soc.1982,104,4659.33双羟基化双羟基化T.Hudlicky,H.Luna,J.D.Price,F.Rulin,Tetrahedron Lett.1989,30,4053.34环氧化环氧化E.J.Allain,L.P.Hager,L.Deng,E.J.Jacobsen,J.Am.Chem.Soc.1993,115,4415.35酶酶催化的催化的Baeyer-ViligerBaeyer-Viliger氧化氧化S.Rissom,U.Schwarz-Linek,M.Vogel,U.Kragl,Tetrahedron Asymm.1997,8,2523.S.M.Roberts,P.W.H.Wan,J.Mol.Catal.B:Enzymat.1998,4,111.36C=C双键的还原反应双键的还原反应37C-C键形成反应键形成反应n醇醛缩合反应醇醛缩合反应nMichael型加成反应型加成反应n偶姻反应偶姻反应38Aldolases因作用底物的不同被分为四类因作用底物的不同被分为四类Pyruvate-DependentAldolasesDHAP-DependentAldolasesAcetaldehyde-DependentAldolasesGlycine-DependentAldolases39Aldolase因手性活性中心的作用方式被分为两大类因手性活性中心的作用方式被分为两大类40Aldolases催化立体选择性的催化立体选择性的c-c键形成反应键形成反应W.-D.Fessner,G.Sinerius,J.Badia,J.Aguilar,Angew.Chem.,Int.Ed.Engl.1991,30,555.P.M.St.Hilaire,M.Meldal,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.2000,39,1162.41一锅法制备双羟基手性化合物R.Schoevaart,F.van Rantwijk,R.A.Sheldon,J.Org.Chem.2000,65,6940.42昂贵的昂贵的DHAP限制催化应用限制催化应用43M.Sugiyama,Z.Hong,L.J.Whalen,C.-H.Wong,Adv.Synth.Catal.2006,348,2555 2559.442001,Schurmann和和Sprenger发现发现fructose 6-phosphate(FSA)J.Am.Chem.Soc.,2007,129(47),14811-1481745G.DeSantis,J.Liu,D.P.Clark,C.-H.Wong,Bioorg.Med.Chem.2003,11,43 52.制备阿伐他汀手性合成子46J.Liu,G.DeSantis,C.-H.Wong,Can.J.Chem.2002,80,643 645底物工程改变选择性47酶促D-A反应H.Oikawa,T.Kobayashi,K.Katayama,Y.Suzuki,A.Ichihara,J.Org.Chem.1998,63,8748.48加成反应加成反应n氰醇的合成氰醇的合成49酶的缺陷酶的缺陷1,1,酶酶催催化化反反应应只只能能得得到到一一种种构构型型（L-L-型型或或D-D-型型）的的光光学学产物；产物；2 2，酶酶常常常常存存在在着着底底物物或或产产物物抑抑制制现现象象，造造成成反反应应转转化化率率降低，生产能力低等问题；降低，生产能力低等问题；3 3，极极端端的的pHpH、较较高高的的温温度度和和高高盐盐浓浓度度的的反反应应体体系系都都可可能能使酶钝化，失去部分甚至大部分催化活性；使酶钝化，失去部分甚至大部分催化活性；4 4，大大量量的的氧氧化化还还原原酶酶、转转氨氨酶酶等等需需要要等等计计量量反反应应物物的的辅辅因因子子存存在在才才能能表表现现催催化化活活性性，从从而而限限制制了了它它们们在在许许多多有有机机合成反应中的应用；合成反应中的应用；5 5，酶酶通通常常在在水水溶溶液液中中实实施施其其催催化化活活性性，对对于于大大多多数数有有机机化学反应来说，使用的溶剂是非水溶性的有机溶剂。化学反应来说，使用的溶剂是非水溶性的有机溶剂。50工业化生物转化生产丙烯酰胺工业化生物转化生产丙烯酰胺(Mitsubishi Rayon)(Mitsubishi Rayon)(四）生物转化在工业上的应用四）生物转化在工业上的应用51工业化生物转化法生产烟酰胺或烟酸工业化生物转化法生产烟酰胺或烟酸(Lonza)3000 t/y52工业化生物转化法生产工业化生物转化法生产非天然氨基酸非天然氨基酸(Degussa)53工业化生物转化法生产非天然氨基酸工业化生物转化法生产非天然氨基酸(DSM)54工业化生物转化法生产西司他丁（工业化生物转化法生产西司他丁（Cilastatin）中间体）中间体(Lonza)55工业化生物转化法生产手性胺工业化生物转化法生产手性胺(BASF)56抗生素工业中的生物催化反应抗生素工业中的生物催化反应57制备制备7-ACA：58制备赖氨酸（制备赖氨酸（Toray）：）：10000t/a59制备药物中间体：制备药物中间体：Anti-HIV,Glaxo Wellcome60diltiazem中间体中间体(Andeno)：61生物催化剂应用于有机合成和制药工业还处于初始阶段生物催化剂应用于有机合成和制药工业还处于初始阶段 总总 结结生物转化反应的进一步发展将对有机合成和制药工业产生极大的影响生物转化反应的进一步发展将对有机合成和制药工业产生极大的影响 62Thank you!63 酶酶 催化反应类型催化反应类型 酯酶、脂肪酶酯酶、脂肪酶 酯的水解和合成酯的水解和合成 酰胺酶（蛋白酶、酰化酶）酰胺酶（蛋白酶、酰化酶）酰胺的水解和合成酰胺的水解和合成 脱氢酶脱氢酶 醛酮的氧化还原醛酮的氧化还原氧化酶（单加氧酶、双加氧酶）氧化酶（单加氧酶、双加氧酶）氧化反应氧化反应过氧化物酶过氧化物酶 氧化、过氧化和卤代反应氧化、过氧化和卤代反应 激酶激酶 磷酸化反应（需磷酸化反应（需ATPATP）醛缩酶、转酮糖酶醛缩酶、转酮糖酶 缩醛反应（缩醛反应（C-CC-C键反应）键反应）糖苷酶、糖基转移酶糖苷酶、糖基转移酶 糖苷键的水解和形成糖苷键的水解和形成 磷酸化酶磷酸化酶 磷酸酯的形成磷酸酯的形成 转磺酸基酶转磺酸基酶 硫酸酯的形成硫酸酯的形成 转氨酶转氨酶 氨基酸合成氨基酸合成 异构酶异构酶 异构化异构化 裂解酶、水合酶裂解酶、水合酶 加成、消除和取代反应加成、消除和取代反应 其它水解酶（环氧化物酶等）其它水解酶（环氧化物酶等）水解反应水解反应64Chemical and Microbial Transformation in the Production of Medically Important Steroids65